四川大学马田，程冲，李爽等Small：组装和调控过渡金属基钒酸盐用于高效产氧- 大数跨境

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四川大学马田，程冲，李爽等Small：组装和调控过渡金属基钒酸盐用于高效产氧

科学材料站

2021-12-12

导读：该文章报道通过快速共沉淀策略制备无机金属盐，通过调控反应比例制备了不同晶态异质结构的过渡金属基钒酸盐，同时研究了其相关的OER活性。

文章信息

组装和调控过渡金属基钒酸盐用于高效产氧

第一作者：邵文杰

通讯作者：马田*，程冲*，李爽*

单位：四川大学，柏林工业大学

研究背景

析氧反应（OER）作为水裂解产氢过程中的一个关键半反应，由于其缓慢的四电子转移过程引起了人们的广泛关注。一直以来，3d过渡金属（Fe、Ni和Co）氧化物和氧氢氧化物在碱性电解质中表现出优异的OER活性。

同时，实验和理论计算都表明，一些地球上储量丰富的高价金属，如W、Mo和V，可以调节3d过渡金属金属氧化物和氧氢氧化物的电子结构，为OER中间体提供接近最佳吸附能的活性位点。然而，具有更高储量和更低成本的V调节的过渡金属催化剂的大多数合成方法仍然过于复杂，无法大规模应用。

因此，如何开发方便、精细和可控的方法来获得V调节的催化剂，特别是具有可调的结晶和非晶结构以优化其活性，使其在碱性电解质中表现出与商业贵金属基OER催化剂相当的活性显得尤为重要。

背景介绍

基于此，四川大学及柏林工业大学的合作研究团队在Small（影响因子：13.281）上发表题为“Assembling and Regulating of Transition Metal-Based Heterophase Vanadates as Efficient Oxygen Evolution Catalysts”的实验论文。

该文章报道通过快速共沉淀策略制备无机金属盐，通过调控反应比例制备了不同晶态异质结构的过渡金属（CoFe，NiFe，和NiCo）基钒酸盐，同时研究了其相关的OER活性。

图1. 过渡金属基钒酸盐的合成示意图和形貌照片

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本文要点

要点一：不同的过渡金属基钒酸盐表现出不同的结晶程度

根据TEM和XRD结果可知，CoFe-VO_x-0.5表现出无定形结构，NiFe-VO_x-0.5表现出较低的结晶度，NiCo-VO_x-0.5表现出相对较高的结晶度。在1 M KOH中，NiFe-VO_x-0.5在10 mA·cm⁻²的条件下需要的过电位低至267 mV，接近于商业的RuO₂（266 mV），并优于其他过渡金属基钒酸盐NiCo-VO_x-0.5（308 mV）和CoFe-VO_x-0.5（325 mV）。

要点二：中等异质结构的NiFe-VOx-0.5表现出最好的OER性能

通过调控反应浓度制备了不同结晶度的NiFe-VO_x，TEM和XRD结构表明，随着反应浓度的增加，NiFe-VO_x的结晶度增强，其中具有中等异质结构（结晶结构和无定形结构的混合结构）的NiFe-VO_x-0.5在1 M KOH电解液中表现出最低的过电位（267 mV@10 mA·cm⁻²），最高的TOF值（0.114 s^-1@η=300 mV），和最高的质量活性（780.05 mA mg^-1@η=300 mV）。

要点三：异质NiFe-VO_x-0.5在OER反应后表现出一定的重构

SEM和XPS结果显示异质NiFe-VO_x-0.5在OER反应后，催化剂中的V大量溶出，催化剂表面发生重构生成了有利于OER过程的氢氧化物。

图2. 过渡金属基钒酸盐的OER性能对比

结论与展望

文报道了一种易于组装和调控的策略来可控合成一系列过渡金属（CoFe，NiFe和NiCo）基钒酸盐用于高效的OER催化。结果表明，与CoFe和NiCo基钒酸盐相比，NiFe基钒酸盐具有最好的OER催化性能，通过调节反应浓度可以方便地控制结晶度。

当NiFe-VO_x-0.5催化剂表现出中等异质结构时，具有最佳的OER催化活性和动力学。与以商业RuO₂为基础的贵金属电催化剂相比，组装的全水裂解装置在碱性电解液中也表现出优异的长期活性和耐久性。

这项工作为高性能OER催化剂的快速、简便、规模化生产提供了一种方法，同时也为设计具有可调纳米结构的钒酸盐基材料提供了新的途径，可用于多种催化和能源应用。

文章链接

Assembling and Regulating of Transition Metal-Based Heterophase Vanadates as Efficient Oxygen Evolution Catalysts

https://doi.org/10.1002/smll.202105763

通讯作者简介

马田研究员博士

四川大学华西医院副研究员。2019年获雅各布大学博士学位，主要从事多金属氧簇、金属有机框架材料的设计与合成。目前在四川大学华西医院临床影像药物研究室与高分子科学与工程学院先进低维材料研究室开展联合研究课题，专注于开发面向能源催化及生物医药领域的新型多金属氧簇基纳米材料。共发表论文20余篇，其中以第一作者/通讯身份在Adv. Mater., Small, Inorg. Chem., ChemsusChem等国际期刊上共发表论文6篇。在申PCT国际专利2项，在申及授权中国发明专利8项。主持省级课题2项

程冲研究员博导

四川大学高分子科学与工程学院特聘研究员，博士生导师，国家四青人才，四川省特聘专家，高分子材料工程国家重点实验室固定人员，洪堡学者。主要研究方向为设计高分子基先进低维功能材料及开发其在生物医药及能源催化领域的应用，特别是基于新型配位聚合物的微纳米结构设计、功能调控、大规模制备及前沿应用开发。以第一和通讯作者在Nature Materials、Chemical Reviews、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials (8篇)、Nano Today、Nano Letters (2篇)、Angewandte Chemie (3篇)、Advanced Functional Materials (6篇)、Advanced Science、Small (3篇)、Nano-Micro Letters等国内外高水平期刊上发表论文70余篇，共发表论文110余篇，总引用6000余次，H-index为40，其中9篇入选ESI高被引，14篇封面论文。在申及授权中国发明专利16项，欧洲专利1项及PCT专利2项，并参编英文著作1章，担任InfoMat及Advanced Fiber Materials等多个国际期刊的杂志（青年）编委。荣获2020年四川省医学青年科技奖（二等奖，排名第二）、2021川渝科技学术大会优秀论文奖（一等奖1篇，二等奖1篇）及四川大学优秀科技人才奖。

https://www.x-mol.com/groups/aldm-scu

李爽

柏林工业大学，化学系，功能材料课题组，DFG project leader。长期致力于碳基高性能催化剂的制备、精确结构调控及电化学产氢、产氧、金属空气电池、锂硫电池等应用开发。特别是针对配位聚合物前驱体的设计及多级结构调控等问题，开发了多种不同结构的配位聚合物基碳前驱体，制备出一系列高催化活性杂化材料及碳基复合材料，取得了多项重要研究成果。2012年至今在国际知名期刊上共发表论文50余篇 (Web of Science引用3000余次，他引2600余次，H-index 31)。其中以第一和通讯作者身份在Nat. Mater., Adv. Mater. (5篇), Angew. Chem. Int. Ed. (3篇), ACS Nano, Nano Today, Adv. Funct. Mater.等材料学科权威期刊上发表论文17篇 (IF>10的14篇，多篇入选ESI高被引)，撰写英文专著2章 (均为第一作者)，申请和授权发明专利4项, 欧洲专利1项。